Gleba – ochrona, remediacja, rekultywacja

Przeciwdziałanie degradacji gleb:

• Kodeks dobrej praktyki rolniczej (2002r.)

• Normy etyczne postępowania względem środowiska

• Przyjęcie norm jest dobrowolne

• UE zaleciła krajom aby wprowadziły one normy, jednak nie są to określone regulacje prawne, które by nakładały kary

Międzynarodowe regulacje w dziedzinie ochrony gleb

• Szczyt Ziemi w Rio de Janeiro w 1992r. – przyjecie deklaracji ważnych dla ochrony gleb

• Konwencja Narodów Zjednoczonych w sprawie zwalczania pustynnienia w krajach dotkniętych poważnymi suszami i/lub pustynnieniem, zwłaszcza w Afryce (1994r.)

  • Wspieranie działań finansowo i technologicznie

• Konwencji NZ nie podpisały wszystkie kraje np. Polska i kraje Europy wschodniej

Unijne regulacje w dziedzinie ochrony gleb

• Konferencja (1998r.) „ polityka ochrony gleb w UE”)

• Europejskie Forum Glebowe – działa jako organ doradczy, głównym problemem było zanieczyszczenie i erozja gleb

Polskie regulacje w dziedzinie ochrony gleb

• Ustawa o ochronie gruntów rolnych i leśnych

  • Ograniczenie przeznaczania na cele nierolnicze lub nieleśne

  • Zapobieganie degradacji/obniżaniu produkcyjności

  • Rekultywacja

  • Zachowywanie torfowisk i oczek wodnych

Degradacja i dewastacja

Nieużytki – tereny zdewastowane, zdegradowane

Grunty zdegradowane-> grunty zdewastowane-> remediacja-> rekultywacja

Nieużytkami są także tereny występujące naturalnie np. bagna, wydmy, których wartość użytkowa jest znacznie obniżona i nie nadają się do wykorzystania rolniczego

Rodzaje degradacji gleb:

• Degradacja bezwzględna

  • Trwałe obniżenie lub zniszczenie aktywności biologiczno-chemicznej gleby

  • Degradacja geochemiczna

    • Zewnętrzne zmiany na powierzchni np. górnictwo, zabudowa wodna, ciągi komunikacyjne

  • Degradacja fizyczna

    • Zagęszczenie masy glebowej, pogorszenie struktury gleby

    • Przekształcenia hydrologiczne:

      • Zawodnienie – poziom gruntu obniża się w stosunku do otaczających zbiorników wodnych może dochodzić do zatapiania

      • Przesuszenie – pobieranie zbyt dużych ilości wód gruntowych

  • Degradacja biologiczna

  • Degradacja chemiczna

    • Wyjałowienie – spadek zasobności gleb, z gleby SA wymywane makroelementy ( przez wody opadowe, pobieranie makroelementów przez rośliny)

    • Naruszenie równowagi miedzy składnikami pokarmowymi – jeżeli z gleby wymywane SA makroelementy nawozy dostarczają tylko makroelementy pobierane przez rośliny, a inne składniki nie są uzupełniane

    • Zakwaszenie

    • Fitotoksyczne zanieczyszczenie gleb – zanieczyszczenie gleb substancjami toksycznie na rośliny (w mniejszym st. Podlegają gleby ciężkie, bo jest większe zagęszczenie masy, lepsza zdolność ochrony przed zanieczyszczeniami

    • Zasolenie gleb – nadmierna koncentracja soli w roztworze glebowym przez chlorki, węglany, siarczany (gł. Wysypiska śmieci, tereny pogórnicze)

      • 0,3% - przesuszenie roślin

      • Ponad 0,5% - zamieranie

    • Alkalizacja gleb przez sód, magnez, potas, wapń

      • pH rośnie przez zakłady przemysłowe, zanieczyszczenie pyłami

    • metaboliczna intoksykacja gleb co powoduje zmiany warunków w glebie

      • zakwaszenie uwalnia glin w ilościach toksycznych dla roślin

    • spadek zawartości substancji organicznej – gł w rolnictwie, związane z mechaniczną uprawą gleb, nieprawidłowa uprawa

• Degradacja względna

  • Przeobrażenie układu w układ nowy, o aktywności biologicznej nie mniejszej od poprzedniego

  • Zmiana sposobu wykorzystania i zanieczyszczenia gleby np. działalność rolnicza, pH zasadowe, zmieniają się z iglastych na liściaste

Klasyfikacja nieużytków poprzemysłowych (w zależności od szybkości zarastania)

1. Zarastają bardzo wolno, sukcesja po 10 latach, odbudowa biologiczna bardzo trudna

2. Zarastają wolno, sukcesja po 5 latach, odbudowa biologiczna średnio trudna

3. Zarastają szybko, sukcesja najpóźniej po 2 latach, odbudowa biologiczna stosunkowo łatwa

Klasyfikacja nieużytków poprzemysłowych (w zależności od źródła zanieczyszczenia)

1. Zwały – hałdy nasypy, stworzone przez składowanie odpadów

   1. Odpady węglowe

   2. Górnictwo cynku i ołowiu

   3. Odpady chemiczne

   4. Hutnictwo żelaza

   5. Eksploatacja wapieni

   6. Osady ściekowe

2. Nieużytki ziolone

3. Składowiska odpadów

4. Kamieniołomy

5. Zalewiska

6. Tereny zabagnione

Klasyfikacja nieużytków poprzemysłowych (w zależności od pochodzenia form)

1. Bezpośrednia działalność gospodarcza

   1. Zwały

   2. Nasypy

   3. Groble

   4. Terasy

2. Współdziałanie procesów gospodarczych i czynników naturalnych

   1. Zapadliska

   2. Wypiętrzenia

   3. Osuwiska

   4. Uskoki

Skala degradacji

1. Punktowa (m2, składowiska śmieci)

2. Obszarowa ( hektary, tereny pogórnicze, poprzemysłowe)

3. Regionalna (km2, Śląsk)

4. Kontynentalna

5. Globalna (zjawisko degradacji gleb w skali globu

Najczęstsze przyczyny degradacji gleb w PL

1. Gazy i pyły

2. Górnictwo

3. Składowiska odpadów

4. Niewłaściwe użytkowanie

Przyczyny globalnej degradacji

1. deforestacja

2. Nadmierny wypas bydła

3. Niewłaściwa gospodarka rolna : erozja wodna, erozja wietrzna, degradacja fiz/chem, wyjałowienie

4. Uprzemysłowienie i urbanizacja

Remediacja gleb – redukcja wielkości lub transformacja różnego rodzaju zanieczyszczeń w w formy mniej szkodliwe np. usuniecie lub rozkład zanieczyszczeń, przekształcenie zanieczyszczeń, eliminacja zanieczyszczenia ze środowiska poprzez zaburzenie drogi jego przemieszczania się

• Źródło zanieczyszczenia lub skażenia

• Zanieczyszczona gleba/powietrzne glebowe

• Skażone odpady

• Zanieczyszczone wody podziemne

Etapy remediacji gleb

1. Wstępna charakterystyka terenu przewidzianego do re mediacji

2. Badania szczegółowe

3. Re mediacja terenu

4. Monitoring terenu (po remediacji)

Ocena zasięgu i poziomu zanieczyszczeń

• Zakres zanieczyszczeń – polowe metody badań (pobranie próbki-> ocena organoleptyczna)

• Zasięg migracji – polowe techniki analityczne węglowodory aromatyczne)( np. gazowe np. węglowo: analiza powietrza gruntowego -> przenośne analizatory -> pomiar pośredni

• Wielkość zanieczyszczeń - pobranie próbek gleby i wód gruntowych

  • Miejsce poboru, czas, sposób, liczba/wielkość próbek

• Badania laboratoryjne

  • Badania fiz- chem

  • Badania mikrobiologiczne

Metody remediacji

• Fizyczne: sortowanie, mycie

• Biologiczne : bioremediacja, fitoremediacja

• Chemiczne: utlenianie/ redukcja, regulacja pH

• Techniczne: hydroliza, spalanie

Metody remediacji

• Metody In situ – bezpośrednie w miejscu występowania zanieczyszczenia (tańsze, mniejsze Narażanie pracowników, duże obszary o niskich stężeniach zanieczyszczeń

• Ex situ – zanieczyszczony element przewożony do zakładu i tam oczyszczane (np. oczyszczalnia ścieków, kompostowanie odpadów)

Bioremediacja podstawowa – (naturalne mikroorganizmy skażonego terenu – obniżenie stężenia zanieczyszczenia

Biostymulacja – stymulacja naturalnie występujących mikroorganizmów (natlenianie, dodawanie pożywek)

Bioremediacja:

1. Bioremediacja podstawowa

2. Biostymulacja

3. Bioaugmentacja

Biopreparaty w bioagmentacji – wyselekcjonowane mikroorganizmy, które nie powinny stanowić zagrożenia dla środowiska, związane na nośniku mineralnym (przyśpieszają i zapoczątkowują biodegradację)

• Pseudomonas

• Atrhrobacter

• Flavobacterium

• Bacillus

Oddziaływanie biopreparatów na zanieczyszczenie:

• Fizyczne: właściwości jonowymienne nośników, metale ciężkie, gazy z rozkładu materii organicznej

• Chemiczne: właściwości jonowymienne nośników, metale ciężkie, gazy z rozkładu materii organicznej

• Biotechnologiczne: wprowadzenie dużej liczby mikroorganizmów

Zastosowanie biopreparatów: oczyszczalnie ścieków, uzdatnianie wody, czyszczenie sieci kanalizacyjnej, oczyszczalnie przydomowe, kompostowanie

Pozyskiwanie mikroorganizmów – metody biotechnologiczne

1. Selekcja mikroorganizmów

2. Izolacja czystych kultur

3. Nawożenie szczepów

4. Testowanie szczepów

Ulepszanie szczepów:

• Mutacja indukowana czynnikami zewnętrznymi

• Selekcja mutantów o najkorzystniejszych cechach

Szczepionki bakteryjne (gleba, substancje odżywcze, szczep mikroorganizmu):

• Szczepionki wzbogacające – przyśpieszające proces remediacji

• Szczepionki mobilizujące – zapoczątkowujące

Rodzaje szczepionek:

• Nitragina: najbardziej ekonomiczny nawóz azotowy, szczep Rhizobium, jałowa gleba nasycona pożywką

  • Wirulencja – zdolność do zakażania korzeni roślin motylkowych wtedy lepiej przyswaja roślina związki azotowe

  • Aktywność – im więcej szczep wiąże azotu tym więcej przekazuje roślinie

• Azotobakteryna – wzbogacająca

• Fosfobakteryna – przetrwalnikowe Bacillus megoterium

• inne szczepionki mobilizujące – Pseudomonas putida

  • Siderofory (mobilizujące): związki wydzielane do środowiska przez bakterie, które wiążą jony żelaza

• Mikroorganizmy produkujące antybiotyki

• Sinice: Nostac i Anabena

Możliwości zastosowania bioremediacji:

• Produkty ropopochodne

• Rozpuszczalniki (benzen, toluen, ksylen)

• Pestycydy

• Środki do impregnacji drewna

• Metale ciężkie

Usuwanie metali ciężki przez: glony, bakterie, drożdze, promieniowce, grzyby pleśniowe

Mechanizm usuwania metali ciężkich :

1. Metale łączą się ze związkami na ścianie komórkowej

2. Związki produkowane przez bakterie łączą się ze związkami bakterii, w trwałe kompleksy niedostępne już dla innych org.

3. Związki wnikają do wnętrza bakterii

Etapy usuwania metali ciężkich

1. Pobieranie i akumulacja metali ciężkich

2. Desorpcja i regeneracja biomasy

3. Odzysk metali

Bioakumulacja:

• specyficzna (proste związki organiczne -> naturalny metabolizm, mikrobiologiczne produkty ->obecność/brak metali

• niespecyficzna (sorpcja metali, wiązanie przez biopolimery, pobieranie metali)

Siderofory – niskocząsteczkowe chylaty, proteiny i inne wydzieliny wiążące metale toksyczne (Fe3, AL3, Ga3, Cr3, Mg2, Mn2, Ca2)

Proferrorosamina A – wyizolowana po raz pierwszy z hodowli rodzaju Pseudomonas (Ni2, Fe2, Cu2, Co2, Hg2, Mn2, Zn2)

Skuteczność bioakumulacji zależy od odporności na metale ciężkie

Desorpcja i regeneracja biomasy – bakterie mogą pobierać metale ciężkie tylko do pewnego momentu aby proces był cały czas aktywny trzeba: wprowadzić świeżą biomasę lub recyrkulację biomasy

Usuwanie związków ropopochodnych:

• Pseudonomas

• Arthrobacter

• Penicillinum

• Trichodema

• Micrococus

• Flavobacterium

Wady bioremediacji: ograniczenia zastosowania, wymagania środowiskowe, czas trwania procesu

Zalety: prostota, ekonomiczność, proces In situ, możliwość bezpośredniego użytkowania gruntu

Przykład bioremediacji: na terenie stacji paliwowej w USA (aceton, etanol, benzen) poprzez napowietrzanie i dodatkowe mikroorganizmy po ok. 8 miesiącach uzyskano poziom zanieczyszczeń akceptowalny

Fitoremediacja – technologia oczyszczania środowiska wykorzystująca naturalne zdolności roślin do pobierania i gromadzenia substancji zanieczyszczających lub do ich biodegradacji. Rośliny wykorzystywane w fiotremediacji:

• Cu: mniszek, skrzyp, trawy, sałata, kukurydza

• CD: tobołek, szpinak, sałata, wierzba, trawy

• Pb: kapusta, trawy, zboża, liście buraków, ziemniaki

• Zn: tobołek, zboża, cebula, sałata, szpinak

Ulepszanie roślin:

• Modyfikacje gen – zwiększanie biomasy rośliny (większa masa – większa skuteczność)

• Indukuwana hiperakumulacja – zwiększenie zdolności pobierania i gromadzenia zanieczyszczeń

Fitoakumulacja dot. roślin lądowych

Rizofiltracja stosowana jest w przypadku roślin wodnych (związki akumulują się w korzeniach)

Biodegradacja ryzo sferyczna – akumulacja i degradacja

Fitodegradacja – dot roślin lądowych

Fitostabilizacja – wydzielanie związków do środowiska zewnętrznego (stabilizacja toksyn

Fitoutlenianie – transpiracja przez liście

Korzyści i możliwości zastosowania fitoremediacji:

• Ekonomiczność/ zabiegi In situ

• Szerokie możliwości stosowania

• Utrzymywanie równowagi biologicznej

• Aprobata społeczeństwa

Ograniczenia zastosowania fitoremediacji

• Wolne tempo oczyszczania

• Koncentracja zanieczyszczeń

• „płytka re mediacja” nie do końca poznany proces biodegradacji

• Wymagana duża powierzchnia

• Nielsa efektywność

• Wzrost roślin i wymagania środowiskowe

• Możliwość obiegu toksyn

Unieszkodliwianie zakumulowanych metali ciężkich: masa zielona-> procesy techniczne-> pozostałość-> wysypiska mat. Niebezp.

Rekultywacja - nadanie lub przywrócenie gruntom zdegradowanym wartości użytkowych lub przyrodniczych (zakończenie działalności przemysłowej – rekultywacja do 5 lat – plan zagospodarowania przestrzennego)

Przydatność rekultywowanych gruntów

• Przydatne: czarnoziemy, lessy, mady, gliny zwałowe

• Potencjalno-produktywne

• Toksyczne

• Jałowe

  • Na 3 ost najlepiej nasypać warstwę nowej gleby

Fazy rekultywacji:

1. Rekultywacja wstępna

   1. Wybór metody rekultywacji w zależności od szybkości, skuteczności, możliwości inwestora, warunków przyr

   2. Pomiary, mapy, dokumentacja

2. Rekultywacja techniczna

   1. Trasy dojazdowe

   2. Ukształtowanie rzeźby terenu

   3. Stabilizacja stosunków wodnych

   4. Odkwaszanie terenu

   5. Odtworzenie gleby

   6. Makroniwelacja - roboty ziemne w celu odpowiedniego ukształtowania powierzchni zwałowiska (stateczność, możliwość zabiegów bio, minimalizacja odwodnień)

3. Rekultywacja biologiczna

   1. Zrekonstruowanie struktury bio

   2. Regulacja stosunków wodnych

   3. Zrekonstruowanie gleb

   4. Wykonywane zabiegi:

      1. Neutralizacja gruntu

         1. Kultywatorowanie – mechaniczne spulchnianie gleby, sub. Docierają głębiej (mączka fosforytowa, dolomit, tlenek wapnia)

      2. Hydroobsiew przez mieszanka nasion traw i roślin motylkowych, nawóz MONT, ksylit (odmiana węgla brunatnego ok. 5 razy tańsze niż trawy rozwijane z rolek)

      3. Zalesianie

         1. Warunki lokalne: brzoza brodawkowata, olsza czarna, dąb szypułkowy, klon jawor

         2. Konfiguracja terenu: olsza szara, modrzew europejski, sosna czarna, buk zwyczajny

         3. po 2 latach nawożenie min-podst, po 3-4 latach nawożenie uzupełniające – mocznik, powyżej 4 lat zabiegi pielęgnacyjne przez uzupełnianie roślinności, cięcia pielęgnacyjne, zabezpieczanie

         4. wskaźniki ekologicznie skutecznej rekultywacji: skład roślinności, ilość próchnicy, aktywność enzymów glebowych

      4. Nawożenie podstawowe i uzupełniające:

Gł. Kierunki zagospodarowania terenu: leśny ( b. duże nakłady fin, efekt trudny do przewidzenia), rolny(b. duże nakłady fin, sposób kontrowersyjny), wodny, komunalny, rekreacyjny (najdroższy, najbardziej pożądany przez społeczeństwo, najbardziej widoczne efekty)